JAVA类加载器跟Tomcat加载器的关系

转自：https://blog.youkuaiyun.com/fuzhongmin05/article/details/57404890

Java类加载机制

类加载器
  

      虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

      类加载器可以说是Java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一，在类层次划分、OSGi、热部署、代码加密等领域大放异彩，成为了Java技术体系中一块重要的基石

      类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远远不限于类加载阶段。对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义。否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

双亲委派模型（作用是系统的稳定性）

      从Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

      从Java开发人员的角度来看， 类加载器还可以划分得更细致一些， 绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器。

1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：前面已经介绍过，这个类加载器负责将存放在＜JAVA_HOME＞\lib目录中的，或者被-X bootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如rt.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用。

2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）：这个加载器由sun.misc.Launcher.ExtClassLoader实现，它负责加载＜JAVA_HOME＞\lib\ext目录中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

3）应用程序类加载器（Application ClassLoader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher.AppClassLoader实现。由于这个类加载器是ClassLoader中的getSystemClassLoader()方法的返回值，所以一般也称它为系统类加载器。它负责加载用户类路径（Class Path）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

      我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器。这些类加载器之间的关系一般如下图所示

双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

      使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存放在rt.jar之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类，并放在程序的Class Path中，那系统中将会出现多个不同的Object类，Java类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。如果读者有兴趣的话，可以尝试去编写一个与rt.jar类库中已有类重名的Java类，将会发现可以正常编译，但永远无法被加载运行。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要，但它的实现却非常简单，实现双亲委派的代码都集中在java.lang.ClassLoader的loadClass（）方法之中，如以下代码所示，逻辑清晰易懂：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
	//首先， 检查请求的类是否已经被加载过了
	Class c=findLoadedClass(name);
	if( c== null ){
		try{
			if( parent != null ){
				c = parent.loadClass(name,false);
			} else {
				c = findBootstrapClassOrNull(name);
			}
		} catch (ClassNotFoundException e) {
		//如果父类加载器抛出ClassNotFoundException
		//说明父类加载器无法完成加载请求
		}
		if( c == null ) {
			//在父类加载器无法加载的时候
			//再调用本身的findClass方法来进行类加载
			c = findClass(name);
		}
	} 
	if(resolve){
		resolveClass(c);
	}
	return c;
}

先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。双亲委派的具体逻辑就实现在这个loadClass()方法之中，JDK 1.2之后已不提倡用户再去覆盖loadClass()方法，而应当把自己的类加载逻辑写到findClass()方法中，在loadClass()方法的逻辑里如果父类加载失败，则会调用自己的findClass()方法来完成加载，这样就可以保证新写出来的类加载器是符合双亲委派规则的。

双亲模型的缺点：上级加载不了下级的类

双亲模型是有层级的，如自定义

ClassLoader(4) -> ApplicationClassLoader(3) -> ExtensionClassLoader(2) -> BootstrapClassLoader(1)

举个例子：

JNDI（Java Naming and Directory Interface）服务，JNDI说白了就是把资源取个名字，再根据名字来找资源。JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器去加载（在JDK 1.3时放进去的rt.jar），但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的Class Path下的JNDI接口提供者（SPI，Service Provider Interface）的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码，因为启动类加载器的搜索范围中找不到用户应用程序类，那该怎么办？为了解决这个问题，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器（Application ClassLoader）。

也就是说可以通过这个线程上下文类加载器来加载下级的类，它默认是ApplicationClassLoader

 

Tomcat的类加载器架构

 主流的Java Web服务器（也就是Web容器），如Tomcat、Jetty、WebLogic、WebSphere或其他笔者没有列举的服务器，都实现了自己定义的类加载器（一般都不止一个）。因为一个功能健全的Web容器，要解决如下几个问题：

      1）部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以实现相互隔离。这是最基本的需求，两个不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，不能要求一个类库在一个服务器中只有一份，服务器应当保证两个应用程序的类库可以互相独立使用。

      2）部署在同一个Web容器上的两个Web应用程序所使用的Java类库可以互相共享。这个需求也很常见，例如，用户可能有10个使用Spring组织的应用程序部署在同一台服务器上，如果把10份Spring分别存放在各个应用程序的隔离目录中，将会是很大的资源浪费——这主要倒不是浪费磁盘空间的问题，而是指类库在使用时都要被加载到Web容器的内存，如果类库不能共享，虚拟机的方法区就会很容易出现过度膨胀的风险。

      3）Web容器需要尽可能地保证自身的安全不受部署的Web应用程序影响。目前，有许多主流的Java Web容器自身也是使用Java语言来实现的。因此，Web容器本身也有类库依赖的问题，一般来说，基于安全考虑，容器所使用的类库应该与应用程序的类库互相独立。

      4）支持JSP应用的Web容器，大多数都需要支持HotSwap（热交换）功能。我们知道，JSP文件最终要编译成Java Class才能由虚拟机执行，但JSP文件由于其纯文本存储的特性，运行时修改的概率远远大于第三方类库或程序自身的Class文件。而且ASP、PHP和JSP这些网页应用也把修改后无须重启作为一个很大的“优势”来看待，因此“主流”的Web容器都会支持JSP生成类的热替换，当然也有“非主流”的，如运行在生产模式（Production Mode）下的WebLogic服务器默认就不会处理JSP文件的变化。

      由于存在上述问题，在部署Web应用时，单独的一个Class Path就无法满足需求了，所以各种Web容都“不约而同”地提供了好几个Class Path路径供用户存放第三方类库，这些路径一般都以“lib”或“classes”命名。被放置到不同路径中的类库，具备不同的访问范围和服务对象，通常，每一个目录都会有一个相应的自定义类加载器去加载放置在里面的Java类库。现在，就以Tomcat容器为例，看一看Tomcat具体是如何规划用户类库结构和类加载器的。

      在Tomcat目录结构中，有3组目录（“/common/*”、“/server/*”和“/shared/*”）可以存放Java类库，另外还可以加上Web应用程序自身的目录“/WEB-INF/*”，一共4组，把Java类库放置在这些目录中的含义分别如下：

      ①放置在/common目录中：类库可被Tomcat和所有的Web应用程序共同使用。

      ②放置在/server目录中：类库可被Tomcat使用，对所有的Web应用程序都不可见。

      ③放置在/shared目录中：类库可被所有的Web应用程序共同使用，但对Tomcat自己不可见。

      ④放置在/WebApp/WEB-INF目录中：类库仅仅可以被此Web应用程序使用，对Tomcat和其他Web应用程序都不可见。

      为了支持这套目录结构，并对目录里面的类库进行加载和隔离，Tomcat自定义了多个类加载器，这些类加载器按照经典的双亲委派模型来实现，其关系如下图所示。

CommonClassLoader（加载/common/*）、CatalinaClassLoader（加载/server/*）、SharedClassLoader（加载/shared/*）和WebappClassLoader（加载/WebApp/WEB-INF/*）是Tomcat自己定义的类加载器，其中WebApp类加载器和Jsp类加载器通常会存在多个实例，每一个Web应用程序对应一个WebApp类加载器，每一个JSP文件对应一个Jsp类加载器（它出现的目的就是为了被丢弃：当Web容器检测到JSP文件被修改时，会替换掉目前的JasperLoader的实例，并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的HotSwap功能）

对于Tomcat的6.x版本，只有指定了tomcat/conf/catalina.properties配置文件的server.loader和share.loader项后才会真正建立Catalina ClassLoader和Shared ClassLoader的实例，否则在用到这两个类加载器的地方都会用Common ClassLoader的实例代替，而默认的配置文件中没有设置这两个loader项，所以Tomcat 6.x顺理成章地把/common、/server和/shared三个目录默认合并到一起变成一个/lib目录，这个目录里的类库相当于以前/common目录中类库的作用。这是Tomcat设计团队为了简化大多数的部署场景所做的一项改进，如果默认设置不能满足需要，用户可以通过修改配置文件指定server.loader和share.loader的方式重新启用Tomcat 5.x的加载器架构。

      Tomcat加载器的实现清晰易懂，并且采用了官方推荐的“正统”的使用类加载器的方式。如果读者阅读完上面的案例后，能完全理解Tomcat设计团队这样布置加载器架构的用意，那说明已经大致掌握了类加载器“主流”的使用方式，那么笔者不妨再提一个问题让读者思考一下：前面曾经提到过一个场景，如果有10个Web应用程序都是用Spring来进行组织和管理的话，可以把Spring放到Common或Shared目录下让这些程序共享。Spring要对用户程序的类进行管理，自然要能访问到用户程序的类，而用户的程序显然是放在/WebApp/WEB-INF目录中的，那么被CommonClassLoader或SharedClassLoader加载的Spring如何访问并不在其加载范围内的用户程序呢？如果研究过虚拟机类加载器机制中的双亲委派模型，相信读者可以很容易地回答这个问题。

      分析：如果按主流的双亲委派机制，显然无法做到让父类加载器加载的类去访问子类加载器加载的类，上面在类加载器一节中提到过通过线程上下文方式传播类加载器。

      答案是使用线程上下文类加载器来实现的，使用线程上下文加载器，可以让父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作。看spring源码发现，spring加载类所用的Classloader是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader()来获取的，而当线程创建时会默认setContextClassLoader(AppClassLoader)，即线程上下文类加载器被设置为AppClassLoader，spring中始终可以获取到这个AppClassLoader(在Tomcat里就是WebAppClassLoader)子类加载器来加载bean，以后任何一个线程都可以通过getContextClassLoader()获取到WebAppClassLoader来getbean了。

 

所以Java类加载器跟Tomcat类加载器的关系，我觉得，JAVA类加载器定义了加载的规范，Tomcat使用了它这种规范，然后根据自己的情况进行了扩展，Tomcat启动时，就对项目进行加载。所以这里的Tomcat加载也可以理解为Java类加载了,因为之前疑惑，是不是Tomcat加载了一部分，然后虚拟机加载一部分。这个疑惑是错的，因为开头就说了，这个动作放到 “Java虚拟机外部” 去实现，这里的外部就是指Tomcat,   Tomcat启动时，将类加载进虚拟机